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Pionier der Leistungselektronik – von einer Innovation zur nächsten

| Redakteur: Thomas Kuther

Das komplette Stromversorgungsprogramm – mit dieser Idee gründete Helmut Nolden 1974 EA Elektro-Automatik und begann mit der Entwicklung und Fertigung erster Netzgeräteserien.

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Modernste Produktionsanlagen: EA fertigt Hochleistungs-Netzgeräte und elektronische Lasten auf einer Fläche von 12.000 Quadratmetern in Viersen.
Modernste Produktionsanlagen: EA fertigt Hochleistungs-Netzgeräte und elektronische Lasten auf einer Fläche von 12.000 Quadratmetern in Viersen.
(Bild: EA Elektro-Automatik)

Waren es anfangs einfache Festspannungsnetzgeräte, so bilden heute bidirektionale Laborstromversorgungen in Systemen bis 450 kW das Highlight des Sortiments.

Begonnen hat alles in einer 25 m2 großen Kellerwerkstatt in Dülken: Dort entwickelte Helmut Nolden erste Netzgeräte für den Labor- und Hobbybereich. Kurz darauf siedelte die noch kleine Firma in eine ehemalige Schreinerei um. Schon wenige Jahre nach der Gründung von EA gab es die ersten Geräteserien unterschiedlicher Stromversorgungen. Angefangen von Festspannungsgeräten über linear geregelte Laborstromversorgungen, Universalnetzgeräten mit AC- und DC-Ausgang bis hin zu Sinusspannungswandlern. Allen Geräteserien war gemeinsam, dass sie in unterschiedlichen Spannungs-, Strom- und Leistungsklassen angeboten wurden.

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Zudem wurden die ersten Batterieladegeräte entwickelt und vertrieben. Dies war insgesamt ein rundes Portfolio an Stromversorgungen, das zunächst selber und später mit Vertriebspartnern an den Kunden gebracht wurde. Die Mitarbeiterzahl wuchs und die ersten Lehrlinge wurden ausgebildet. Eine Abteilung, speziell für die Entwicklung neuer Produkte, wurde eingerichtet und damit weiter auf Innovation und den Ausbau des Produktportfolios gesetzt (Bild 3). Es wurden neue hochpräzise Geräteserien, teils mit einer Thyristorvorregelung, entwickelt, um die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad zu erhöhen. So ist die Power Supply Reihe PS 3000 entstanden, die sukzessive weiterentwickelt wurde und noch heute besteht.

Rasantes Wachstum mit steigender Produktion

Mit steigender Produktion wurde 1981 der erste Neubau mit einer Fläche von 2000 m2 in Viersen errichtet. Schon nach vier Jahren erweiterte eine zweite Produktionshalle die Kapazitäten. Gleichzeitig sind die Büro- und Produktionsflächen auf 4800 m2 vergrößert worden. Um den nächsten Schritt gehen und auch den Anforderungen industrieller Anwendungen gerecht werden zu können, waren höhere Geräteleistungen notwendig: 1984 entstanden die ersten Hochleistungsnetzgeräte der Serien PS 4000 und PS 8000 im 19“-Format, mit Strömen bis 500 A. Besonders mit den Geräten der Serie PS 4000 ließen sich unterbrechungsfreie, batteriegestützte 24-V-DC-Systeme aufbauen. Dabei war die Ausgangsspannung von 20 bis 30 V einstellbar und konnte daher bestens an die Batteriespannung angepasst werden. Mit dieser Lösung wurden die ersten größeren Projekte mit Unternehmen wie Siemens oder ABB, damals die Schweizerische BBC, umgesetzt.

Seitdem hat EA neben dem kontinuierlichen Ausbau seines Standardprogramms ebenso kundenspezifische Stromversorgungen konzipiert. Dazu zählten Hochleistungsstromversorgungen mit 0 bis 30 V und 0 bis 5000 A für ein Forschungsinstitut, Hochleistungsladegeräte für die Bundeswehr, Netzteile für Einrichtungen zum Korrosionsschutz an Pipelines sowie batteriegestützte 24-V-DC-Systeme für große Produktionsanlagen in der Papierindustrie. Dabei wurden viele Projekte in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden umgesetzt. Insbesondere die am Markt etablierten, zuverlässigen batteriegestützten 24-V-DC-Systeme machten das damalige Unternehmen Mannesmann, heute Vodafone, auf EA aufmerksam.

Das aufstrebende Mobilfunkunternehmen suchte einen Partner für den Ausbau des D2-Funknetzes. So wurde die erste Anlage einer 48-V-DC-Stromversorgung mit Batteriepufferung und Fernüberwachung hergestellt, die im Jahr 1995 für das GSM-Netz in Serie ging. Später entwickelte EA neue Stromversorgungen mit immer höherer Leistungsdichte für das neue UMTS-Netz. Weitere Kunden aus dem Mobilfunkmarkt, beispielsweise E-Plus und Alcatel, und immer neue Anforderungen kamen hinzu. Nicht nur Anlagen für Indoor, sondern auch für Outdoor wurden entwickelt. Gemeinsam mit dem Mobilfunkmarkt entwickelte sich EA rasant. Zu dieser Zeit fokussierte sich das Unternehmen hauptsächlich auf diesen Markt.

Aber seine Leidenschaft für Innovationen hatte Helmut Nolden nicht verloren: So hat EA im Jahr 1996 mit der BFC 2000 mit 2 kW Leistung die weltweit erste elektronische Last mit Netzrückspeisung entwickelt (Bild 1). Bis heute ist EA Vorreiter und Weltmarktführer bei netzrückspeisenden Lasten. Im Jahr 1998 entwickelte das Unternehmen eine primär getaktete Serie von Laborstromversorgungen mit aktiver PFC in einem 3HE 19“-Gehäuse, die den Grundstein für viele aktuelle Baureihen von EA Elektro-Automatik gelegt hat. Als weitere Neuentwicklung wurde im Jahr 1999 ein getakteter PV Wechselrichter entwickelt. Dieser sollte die Grundlage für ein neues Geschäftsfeld bilden. Das Unternehmen hatte geplant, in den aufstrebenden Markt der erneuerbaren Energien einzusteigen. Doch aufgrund der großen Auslastung in der Entwicklung und Fertigung für den Mobilfunkmarkt verfolgte EA das Projekt nicht weiter.

Flexible Ausgangsstufe als Weltneuheit

Als die Entwickler im Jahr 2003 eine weitere entscheidende Innovation präsentiert haben – die weltweit erste dreistufige Stromversorgung mit einem Weitausgangsbereich – wusste der Firmengründer, dass er sich wieder mehr auf sein Kerngeschäft, das komplette Stromversorgungsprogramm, konzentrieren wollte. Dieses baute er daher weiter aus. Wie vorteilhaft die flexible Ausgangsstufe für den Anwender ist, zeigt sich darin, dass in den Folgejahren viele Mitbewerber diese Technik übernommen haben. Fortan wurden Laborstromversorgungen für einen breiten Markt entwickelt. Im Jahr 2006 konzentrierte sich die Entwicklungsabteilung auf ein neues Produktsegment: Lineare elektronische Lasten. Es entstanden zwei neue Geräteserien – ein Tischgerät mit 400 W sowie 19“-Geräte mit bis zu 7200 W Leistung. Mit Eingangsspannungen bis 750 V und Strömen bis 600 A wurde die Serie EL 9000 entwickelt, die später durch eine Hochleistungsvariante und der Option einer Wasserkühlung erweitert wurde.

Trotz der weltweiten Finanzkrise setzte EA im Jahr 2009 mit dem Labornetzgerät PSI 8000 weiter auf Expansion. Mit einer Vervielfachung der Leistungsdichte und Ausgangsspannungen von 60 bis 1500 V war diese Serie auf viele industrielle Applikationen wie das Laden und Testen von Hochvoltbatterien und Brennstoffzellen sowie das Testen und Validieren von Solarwechselrichtern zugeschnitten. Da für diese Anwendungen viele neue Features notwendig waren, wurden diese mit Hilfe der Mikrocontroller-Technik ausgeführt. Somit lassen sich Schutzvorrichtungen wie OVP, OCP und OPP viel einfacher realisieren. Die Spannung, der Strom und die Leistungen werden permanent überwacht und können somit ausgewertet werden.

Ferner lassen sich Spannungs- oder Stromverläufe programmieren. Außerdem sind hilfreiche Funktionen wie ein generierbarer Warnruf oder Alarme hinzugekommen. Aufbauend auf dieser Geräteserie wurde für Siemens eine Stromversorgung für den Einsatz in Anlagen zum Ziehen von Siliziumwafern ausgelegt. Diese Stromversorgung verfügte über 60 V, 330 A und 15 kW Ausgangsleistung in einem 3HE-19“-Gehäuse und war mit einem Profibus Interface und einem Edelstahl Wasserkühlsystem ausgestattet. Durch die intensive Zusammenarbeit mit Siemens konnten in diesem Projekt viele Neuerungen und Verbesserungen auf Basis der PSI 8000 erarbeitet werden. Mit den Hochspannungsgeräten bis 1500 V realisierte EA mit Unternehmen wie der SMA Solar Technology AG oder der Kostal Solar Electric Projekte zum Testen und Validieren von Solarwechselrichtern. Auch in der Zusammenarbeit mit diesen Unternehmen wurden zahlreiche Innovationen erarbeitet, die bis heute Bestand haben.

Bedienbarkeit und Konnektivität

In den letzten zehn Jahren hat sich ein Trend abgezeichnet, in dem neben der Leistungselektronik ebenfalls die einfache Bedienung und Konnektivität der Geräte in den Vordergrund rückten. Da die Applikationen immer anspruchsvoller wurden, galt es ein Konzept zu entwickeln, mit dem die Netzgeräte trotz der komplexen Funktionalitäten einfach zu handhaben sind. Wurden anfangs noch Potenziometer, Taster, Volt- und Amperemeter sowie analoge Schnittstellen verbaut, hat sich die Ausstattung im Zuge der Digitalisierung gewandelt: Von grafischen- über LCD- bis hin zu TFT-Displays mit kapazitativem Touch dauerte es nur wenige Jahre. Und wo zunächst nur eine USB-Schnittstelle verfügbar war, sind heute alle gängigen Schnittstellen und Feldbusse erhältlich.

Nolden hatte frühzeitig erkannt, dass die intuitive Bedienbarkeit ein Schlüssel zum Erfolg sein würde. Daher spornte er seine Entwickler stets an, Geräte zu gestalten, die anwenderfreundlich sind. So war EA Elektro-Automatik weltweit das erste Unternehmen, welches seine Laborstromversorgungen und elektronischen Lasten nach Vorbild eines Smartphones mit einem hochauflösenden TFT-Display und kapazitativen Touch-Screens ausgestattet hat. Neben der Qualität und Innovation der Produkte spielte auch das Design eine wichtige Rolle: Die Geräte sollten einer klaren Linie folgen. Damit sich die Anwender sofort zurechtfinden, wurde das Design über die verschiedenen Serien hinweg vereinheitlicht, sodass die Grundfunktionalitäten in jedem Gerät sofort wiedererkennbar sind.

Elektronische Lasten mit Netzrückspeisung

Der Bedarf nach immer höheren Leistungen und Eingangsspannungen sowie komplexeren Funktionalitäten bei elektronischen Lasten veranlasste EA im Jahr 2010 die Serie ELR 9000 zu entwickeln, elektronische Lasten mit Netzrückspeisung. Diese Geräte haben gegenüber konventionellen Lasten den großen Vorteil, dass sie die aufgenommene Energie zu 95% wieder in das Netz zurückspeisen, anstatt sie als Wärme an die Umwelt abzugeben. Die entscheidende Neuerung bei diesen Geräten ist die digitale Regelung mit einer 16 Bit AD/DA-Wandlung mittels FPGA. Durch die parallele Signalverarbeitung des FPGA führt dies zu einer Signallaufzeit – Messen, Rechnen und Stellen – von kleiner 1 µs. Somit können mit einer Bandbreite von 1 MHz gleichzeitig Strom-, Spannungs-, Leistungs- und Widerstandsmessung verarbeitet werden.

Die in die Regelung eingebundenen, frei belegbaren Lookup-Tables (LUTs) arbeiten ebenfalls mit einer Bandbreite von 1 MHz. Auf diese Weise lassen sich neben der standardisierten, linearen Regelung auch komplexe, nicht lineare Kennlinien nachbilden. Darüber hinaus sind weitere Funktionen realisierbar: Beispielsweise ein Funktionsgenerator, bei dem Sinus, Dreieck und Rechteck aufgerufen und programmiert werden können, Kurvenverläufe nach LV123 sowie verschiedene Testfunktionen für Batterien und andere Energiespeicher. Außerdem sind ein Batteriemanagement-System und die Simulation von Photovoltaik- und Brennstoffzellen in die Geräte eingearbeitet worden. Diese digitale Regeleinheit war die Basis für weitere Geräteserien, die EA in den folgenden Jahren erfolgreich auf den Markt gebracht hat. Auch die Labornetzgeräteserie PSI 8000 wurde mit dieser Technik ausgestattet und fortan als Serie PSI 9000 gebaut und vertrieben.

Flexibel dank modularem Baukastensystem

Ein weiterer Vorteil der neuen EA-Geräteserien ist ihr modularer Aufbau: Mithilfe eines Baukastensystems verschiedener Spannungsklassen können Leistungsmodule in einem Gerät skaliert werden. Bis zu drei Module lassen sich in einem Gerät parallel oder in Reihe schalten. Damit können in einem Gerät Ausgangsleistungen bis 15 kW, Spannungen bis 1500 V und Ströme bis 510 A realisiert werden. Werden höhere Leistungen benötigt, lassen sich mithilfe einer Master-Slave-Schnittstelle und einem Share-BUS Systeme bis 450 kW aufbauen (Bild 4). Ein System besteht aus einem Mastergerät und bis zu 29 Slavegeräten. Gesteuert und ausgelesen wird das Gesamtsystem über das Mastergerät, das mit einer HMI-Einheit sowie analogen und digitalen Schnittstellen ausgestattet ist. Dadurch kann auf weitere Anzeige- und Bedieneinheiten sowie Schnittstellen in den Slavegeräten verzichtet werden. Für mehr Konnektivität lassen sich die Geräte über einen Plug & Play Slot mit weiteren digitalen Schnittstellen ausrüsten.

Deutliche Steigerung der Leistungsdichte

Die neuesten netzrückspeisenden High-Power-Lasten der 2017 entwickelten ELR 9000 HP können 15 kW Leistung mit einem Wirkungsgrad bis zu 96% aufnehmen (Bild 5). Gegenüber dem Vorgängermodell ELR 9000 mit einer Leistungsaufnahme von 10,5 kW entspricht dies einer Steigerung der Leistungsdichte von 43%. Die Einzelgeräte der High-Power-Version sind in einem 19“-3HE-Gehäuse mit Spannungen von 80 bis 1500 V, Strömen von 20 bis 510 A und Leistungen mit 5, 10 und 15 kW erhältlich. Aufgrund ihres Weitbereichsnetzeingangs können die Lasten ohne zusätzliche Optionen weltweit an Netzen mit 380, 400, 440 und 480 V betrieben werden. Für größere Leistungen lassen sich auch diese Geräte zu einem Gesamtsystem bis zu 450 kW verschalten.

Bidirektionale Strom­versorgungen

Neben einer hohen Leistungsdichte spielen zunehmend Faktoren wie Investitions- und Energiekosten eine entscheidende Rolle, wenn es um die Wahl der richtigen Stromversorgung geht. Diesen Herausforderungen begegnet EA 2017 mit der bidirektionalen Laborstromversorgung PSB 9000. Dieses Gerät kombiniert die Funktionen einer Laborstromversorgung mit jenen einer netzrückspeisenden elektronischen Last. Ein einfaches Anwendungsbeispiel ist das Testen von Batterien: Dabei werden die Batterien zuerst mit einer Stromversorgung aufgeladen. Soll nun die Batterie entladen werden, um die Kapazität der Batterie zu prüfen, wird eine elektronische Last verwendet.

Mit der bidirektionalen Laborstromversorgung hingegen ist nur ein Gerät notwendig, um die Batterie zu laden und zu entladen. Hinzu kommt der Vorteil, dass beim Entladeprozess bis zu 96% der Energie in das Versorgungsnetz rückgespeist wird. Der Anwender spart nicht allein bei der Anschaffung der Geräte, sondern reduziert außerdem seine Energiekosten und schont damit die Umwelt. Zusätzlich lassen sich die Funktionsweisen von Batterien, Brennstoffzellen oder Photovoltaikmodule mit diesem Gerät simulieren. Auf diese Weise kann die PSB 9000 die Entwicklung von Fahrzeug-, Hybrid- oder Bahnantrieben unterstützen. In diesen Geräten ist die von EA Elektro-Automatik entwickelte flexible Ausgangsstufe integriert. Dies gilt für den Einsatz als Quelle und zugleich als Senke. Die Reihe PSB 9000 verfügt in einem 19“-3HE-Gehäuse über Leistungen von 5 bis 15 kW, Spannungen von 60 bis 1500 V und Ströme bis 360 A. Auch hier gilt: Wenn größere Leistungen erforderlich werden, können die Geräte zu einem Gesamtsystem bis zu 450 kW verschaltet werden. Auch die PSB 9000 bietet alle üblichen Features der aktuellen Geräteserien.

Elektromobilität – der Markt der Zukunft

Mit der PSB 9000 eröffnen sich für EA neue Einsätze im Markt der E-Mobility. Im Rahmen der Elektromobilität spielen die Prüfung von Hochvolt-Komponenten auf elektrische Eigenschaften und ihre Sicherheit bei Kraftfahrzeugen eine wichtige Rolle. Ein Aspekt dabei ist die Energieeffizienz. Aufgrund seiner jahrzehntelangen Forschung und Entwicklung besitzt EA auf diesem Gebiet das notwendige Knowhow: Die Geräteserie ist netzrückspeisefähig und erreicht einen energetischen Wirkungsgrad von 96%. Damit lassen sich alle DC-High-Power- und High-Voltage-Komponenten aktueller und zukünftiger Fahrzeuggenerationen prüfen. Da die bidirektionale Laborstromversorgung nahtlos vom Quellen- in den Lastbetrieb wechseln kann, ist ebenso ein Einsatz innerhalb der Ladestruktur der E-Mobility-Branche möglich. Aufgrund der hohen Systemleistung lassen sich mit der PSB Batterien und auch DC-Ladesäulen simulieren. Zudem ist die PSB 9000 auf die Leistungsanwendung im 48-V-Bordnetz abgestimmt. Durch das effiziente Testen leistet EA einen Beitrag zur weiteren Entwicklung der Elektromobilität.

Von einfachen, funktionsgerechten Netzgeräten über stufenlos einstellbare Laborstromversorgungen mit digitaler Konnektivität bis hin zu Zwei-Quadranten-Systemen – EA Elektro-Automatik hat seine Produkte stetig weiterentwickelt. Entsprechend ist das Unternehmen selbst gewachsen: Aus dem Ein-Mann-Betrieb in der Kellerwerkstatt ist ein mittelständisches Unternehmen mit rund 250 Mitarbeitern geworden. In modernen Produktionshallen auf einer Fläche von 12.000 m2 werden Stromversorgungen und elektronische Lasten entwickelt, gefertigt und auf computergestützten Prüfplätzen getestet und kalibriert. Mithilfe eines weit verzweigten Händlernetzwerkes liefert EA heute Hochleistungsnetzgeräte weltweit. Und auch noch vier Jahrzehnte später führt der Pionier der Leistungselektronik, Helmut Nolden, das Unternehmen.

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